風(fēng)力渦輪機(jī)慣量控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及將功率從風(fēng)電場(chǎng)饋送入電網(wǎng)的控制，并且更具體地，涉及用于風(fēng)電場(chǎng)的慣量控制系統(tǒng)，其包括慣量控制器以限定和將參考值傳送至構(gòu)成風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)力渦輪機(jī)，以及提供慣量常數(shù)值，可以在風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)力渦輪機(jī)中配置該值。
技術(shù)背景
[0002]風(fēng)力渦輪機(jī)將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電，然后電被傳送至風(fēng)力渦輪機(jī)風(fēng)電場(chǎng)中的變電站(substat1n)。該風(fēng)力渦輪機(jī)風(fēng)電場(chǎng)具有至少一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)控制器和至少一個(gè)包括轉(zhuǎn)子的風(fēng)力渦輪機(jī)，該轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)與功率轉(zhuǎn)換器相互作用的發(fā)電機(jī)以產(chǎn)生電。風(fēng)力渦輪機(jī)控制器裝備有葉片漿距角控制器和產(chǎn)生的功率控制器、與風(fēng)力渦輪機(jī)控制器相互作用的功率轉(zhuǎn)換器控制器。并且調(diào)節(jié)系統(tǒng)基于一系列參數(shù)諸如渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)速度或電網(wǎng)頻率調(diào)整不同的風(fēng)力渦輪機(jī)控制器。
[0003]風(fēng)力渦輪機(jī)上的機(jī)艙通常容納不同的元件和傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電，發(fā)電機(jī)與功率轉(zhuǎn)換器交互。風(fēng)力渦輪機(jī)中的傳動(dòng)軸指轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子軸、變速箱、發(fā)電機(jī)軸和發(fā)電機(jī)之間的組件。
[0004]該風(fēng)力渦輪機(jī)控制器的目的在于最大化產(chǎn)生的有功功率直到預(yù)設(shè)的最大功率極限，以及維持安全的運(yùn)行模式以預(yù)防人身傷害和風(fēng)力渦輪機(jī)損壞。該風(fēng)力渦輪機(jī)控制器限定葉片槳距角、將其發(fā)送至漿距機(jī)構(gòu)(pitch actuator)以移動(dòng)葉片至正確的位置，并且有功功率參考值點(diǎn)做為用作位于轉(zhuǎn)換器控制單元中的轉(zhuǎn)換器控制器的參考值。
[0005]目前，將風(fēng)力渦輪機(jī)連接至電網(wǎng)的影響(impact)是不可避免的，因此電網(wǎng)操作員正在不斷地加強(qiáng)風(fēng)力渦輪機(jī)-至-電網(wǎng)連接的條件。這些要求中的一些根據(jù)頻率瞬態(tài)被限定，風(fēng)力渦輪機(jī)必須能夠承受這些頻率瞬態(tài)而不需要從電網(wǎng)斷開，并且甚至重新啟動(dòng)從而幫助系統(tǒng)恢復(fù)電網(wǎng)頻率至其預(yù)先建立的標(biāo)稱值。
[0006]傳輸系統(tǒng)操作者尤其關(guān)心頻率瞬變，其通常在斷開發(fā)電機(jī)、負(fù)載或者甚至傳輸系統(tǒng)的一部分時(shí)出現(xiàn)，從而由于產(chǎn)生的有功功率和消耗的有功功率之間的不同引起電網(wǎng)頻率突然變化超出其標(biāo)稱值。頻率的該變化需要非常迅速的響應(yīng)以預(yù)防頻率超過其最大范圍和激起發(fā)電機(jī)和電消費(fèi)者的連鎖失聯(lián)(cascading disconnect1n)。
[0007]頻率發(fā)生突然下降或上升(surge)時(shí)，發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)具有不同的響應(yīng)水平以校正電網(wǎng)頻率。用于傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)的第一種并且自然的響應(yīng)是已知的慣性響應(yīng)，由于軸中存儲(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)能，其承擔(dān)瞬態(tài)功率的傳遞。第二種響應(yīng)來自特定的控制器，其以與電網(wǎng)頻率相對(duì)于標(biāo)稱頻率的偏差成比例地增加功率的產(chǎn)生，該響應(yīng)需要大約15至16秒來制止上升/下降的頻率。然而，該響應(yīng)(已知的主要響應(yīng))不允許回到標(biāo)稱頻率。第三種和第四種響應(yīng)(已知的次要的或第三位的)是基于管理發(fā)電機(jī)的有功功率的產(chǎn)生，包括為了移動(dòng)電網(wǎng)頻率值至標(biāo)稱頻率值，啟動(dòng)目前離線的發(fā)電單元。
[0008]對(duì)此，在慣性響應(yīng)的情況下，利用同步電機(jī)諸如發(fā)電機(jī)的傳統(tǒng)發(fā)電廠牢固地連接至電網(wǎng)，因此頻率變化直接轉(zhuǎn)換成渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速的成比例變化。因此同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械慣量具有重要作用，這是因?yàn)榭梢詫⒃搼T量看做是旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊的動(dòng)能到饋送至電網(wǎng)的電的轉(zhuǎn)化，以此幫助電網(wǎng)減少頻率下降/上升(spike)。
[0009]可以在有功功率產(chǎn)生中解釋動(dòng)能到電的轉(zhuǎn)化，即轉(zhuǎn)動(dòng)能與渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度的平方成比例，渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與電網(wǎng)頻率成比例。假設(shè)功率是每個(gè)時(shí)間單元的能量數(shù)量，那么由于頻率的變化，可以通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)將傳遞的功率解釋為與頻率變化率成負(fù)比例(negatively proport1nal)。
[0010]然而，由于電子變換器控制器將頻率與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速分開，因此變速風(fēng)力渦輪機(jī)沒有對(duì)應(yīng)于電網(wǎng)頻率變化的該“自然”響應(yīng)(慣性響應(yīng))。因此風(fēng)力渦輪機(jī)不會(huì)自然地降低其與頻率相關(guān)的速度，并且不會(huì)通過移動(dòng)轉(zhuǎn)子傳遞能量。變速風(fēng)力渦輪機(jī)不緩沖頻率的下降
/上升。
[0011]考慮到風(fēng)能正在成為電力系統(tǒng)非常重要的部分，無法提供慣性響應(yīng)導(dǎo)致系統(tǒng)中慣量的減少，從而導(dǎo)致頻率下降/上升。因此，必須采取措施預(yù)防風(fēng)力渦輪機(jī)缺少慣性響應(yīng)，風(fēng)力渦輪機(jī)缺少慣性響應(yīng)會(huì)引起由頻率下降/上升產(chǎn)生的電網(wǎng)中的主要問題。
[0012]具有慣性控制的風(fēng)力渦輪機(jī)對(duì)平滑頻率變化是有用的，因此其用于恢復(fù)系統(tǒng)的頻率并且預(yù)防頻率的大幅下降之后負(fù)載的下降。對(duì)于風(fēng)力渦輪機(jī)，通過增加有功功率，并且利用旋轉(zhuǎn)葉片的慣性在幾分鐘內(nèi)動(dòng)態(tài)地和快速地將有功功率饋送入電網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)該概念性的方法。對(duì)此，科學(xué)文獻(xiàn)和專利已經(jīng)提出了各種方法。
[0013]名稱為“具有高風(fēng)力發(fā)電普及率的電網(wǎng)的頻率行為” (J.Duval，B.meyer ；2009IEEE布加勒斯特電力技術(shù)會(huì)議，6月28日-7月2日，布加勒斯特，羅馬尼亞)的文章描述了將額外慣性功率增加至用于風(fēng)力渦輪機(jī)控制器有功功率的轉(zhuǎn)換器參考值。利用參數(shù)將該額外有功功率計(jì)算為與頻率變化率成負(fù)比例，該參數(shù)可以限定其比值。然而，此后功率饋送會(huì)迅速下降。該功率饋送的下降來自兩個(gè)因素:風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的減速，其會(huì)引起風(fēng)力渦輪機(jī)控制器有功功率參考值的下降，并且風(fēng)力渦輪機(jī)控制器根據(jù)渦輪機(jī)相比于參考速度的偏差控制功率。隨著風(fēng)力渦輪機(jī)減速和從參考速度偏離，必須減少功率以恢復(fù)該參考速度。在電網(wǎng)術(shù)語中，這是饋送慣量之后的“恢復(fù)期”，并且在頻率響應(yīng)的范圍內(nèi)(insofar as frequencyresponse)其會(huì)將風(fēng)力渦輪機(jī)性能的不確定性引入風(fēng)電場(chǎng)，甚至?xí)趹T性響應(yīng)之后引起不想要的頻率下降。
[0014]公開號(hào)為W02011/000531A2和名稱為“用于臨時(shí)過量生產(chǎn)的變速風(fēng)力渦輪機(jī)性能”的專利(Tarnowski, G.C.，Kjar, P.C.，Sorensen, P.E.，Ostergaard, J.，功率和能源協(xié)會(huì)大會(huì)，2009，PES' 09.1EEE)描述了與前述方案類似的方案，唯一的不同在于，發(fā)送至轉(zhuǎn)換器的風(fēng)力渦輪機(jī)控制器的有功功率的參考值固定為預(yù)設(shè)值，該預(yù)設(shè)值用于在匹配期望的頻率瞬態(tài)的持續(xù)時(shí)間的預(yù)定期間的瞬態(tài)。因此，將額外功率計(jì)算為與頻率變化率成負(fù)比例，并且與相比于標(biāo)稱頻率的頻率偏差成正比例，并且被加入設(shè)定功率。在這種情況下，由于沒有遵循控制器參考值，因此由于風(fēng)力渦輪機(jī)減速，不會(huì)有功率下降。然而在過剩電量被饋送入電網(wǎng)期間，風(fēng)力渦輪機(jī)減速以達(dá)到最小速度點(diǎn)，慣量傳遞停止，并且設(shè)定的功率值被釋放。這會(huì)引起生產(chǎn)的驟降，該驟降會(huì)保持直到風(fēng)力渦輪機(jī)恢復(fù)其初始速度。
[0015]公開號(hào)為W02011/1124696的專利也是基于將額外功率包括在風(fēng)力渦輪機(jī)控制器的有功功率參考值中，可以正比于頻率偏差和任何其他方式計(jì)算該額外功率。在這種情況下，有功功率速度沒有被凍結(jié)，風(fēng)力渦輪機(jī)控制器的速度不再適用，通過“旋轉(zhuǎn)速度變化信號(hào)的產(chǎn)生考慮慣性轉(zhuǎn)矩，并且該信號(hào)作為輸出信號(hào)通過邏輯元件加入目標(biāo)旋轉(zhuǎn)速度”克服了由于風(fēng)力渦輪機(jī)速度下降引起的與功率下降有關(guān)的問題。換言之，將考慮了旋轉(zhuǎn)慣量的、作為計(jì)算該額外功率的結(jié)果的速度變化輸入風(fēng)力渦輪機(jī)控制器以改變參考速度，因此預(yù)防有功功率參考值的下降。然而，當(dāng)該額外功率消失時(shí)，風(fēng)力渦輪機(jī)應(yīng)該返回其正常運(yùn)行模式，產(chǎn)生隨后的“恢復(fù)期”，其會(huì)在該慣性響應(yīng)之后引起不想要的頻率下降。
[0016]基于現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀可以得出結(jié)論:“恢復(fù)期”總是存在的，在該期間開始之前其依賴風(fēng)力渦輪機(jī)的性能。因?yàn)樵趥鬟f慣性響應(yīng)期間，提供(support)電網(wǎng)并且緩沖電網(wǎng)頻率變化，所以該“恢復(fù)期”是電網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)。因此風(fēng)電場(chǎng)會(huì)幫助系統(tǒng)擺脫這種局面。然而，當(dāng)恢復(fù)期間開始時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的生產(chǎn)下降至低于該情況發(fā)生之前的值，因而，在恢復(fù)期期間，風(fēng)電場(chǎng)可能引起電網(wǎng)頻率下降，這必須由另一